Tema 7. Procesado de materiales cerámicos por tecnología...
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Tema 7. Procesado de materiales cerámicos por tecnología de polvos
Procesado de cerámicos en forma de partícula
Introducción: Definición
Esquema principal del proceso de obtención
Obtención de polvos
Tec. Polvos Dpt. Ciencia e Ing de Materiales e Ing. Química UC3M1
Granulación
Ejemplos:
• Procesado del SiC
• Procesado de Si3N4
Zircona PE
“Materiales inorgánicos constituidos por átomos de metal y no metal unidos por enlaces iónicos y/o covalentes”.
MATERIALES CERÁMICOS
Introducción: Propiedades de los materiales cerámic os
La palabra cerámica deriva del vocablo griego keramos, cuya raíz sánscrita significa quemar. En su sentido estricto se refiere de forma general a la arcilla. Sin embargo, el uso actual de este término incluye a todos los materiales inorgánicos no metálicos.
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Introducción: Clasificación
Vidrios
Cerámicas Tradicionales (productos de arcilla)
Basados en SiOBasados en SiO22 + aditivos para + aditivos para ↓↓ TTff
��CerámicaCerámica porosaporosa (Ladrillos,(Ladrillos, alfarería,alfarería, loza)loza)��CerámicaCerámica compactacompacta (porcelana,(porcelana, gres)gres) Arcilla, Sílice y Arcilla, Sílice y
TRANSPARENTES TRANSPARENTES ⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕ DUROS A DUROS A TTambamb ⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕⊕ RESISTENTES A CORROSIÓNRESISTENTES A CORROSIÓN
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Cerámicas Técnicas o de altas prestaciones:
��CerámicaCerámica compactacompacta (porcelana,(porcelana, gres)gres)��Cerámica refractariaCerámica refractaria ((MagnesitasMagnesitas, , cromitascromitas))
��OxídicasOxídicas��NoNo OxídicasOxídicas
Arcilla, Sílice y Arcilla, Sílice y FeldespatosFeldespatos
�� ArcillasArcillas Alfarería,Alfarería, ladrillos,ladrillos, tejastejas……�� PorcelanasPorcelanas AislantesAislantes eléctricoseléctricos (Al(Al22OO33--SiOSiO22--KK22O)O)�� CorideritasCorideritas elementoselementos calefactorescalefactores (Al(Al22OO33--SiOSiO22--MgO)MgO)
Introducción: Clasificación
Según aplicaciones:
Cerámica Estructural
Oxídica
Al2O
3
ZrO2
Mullita
Carburos
Según composición:
Refractarios: Al2O3, MgO, ZrO2
Abrasivos: SiC, Al2O3,diamante
Molde fundido de metales, hornos
Esmeriladoras, polvos pulido, herramientas de corte
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NO Oxídica
Nitruros
Siliciuros
Boruros
Diamante
Eléctricos y magnéticos: BeO, Al2O3, AlN, ZnO, ferritas
Nucleares: UO2
Biológicos: SiC, Al2O3,ZrO2
herramientas de corte
Semiconductores, substratos, imanes, varistores…..
Prótesis, componentes dentales
Combustible nucleas
Esquema general de procesado de los materiales cerá micos
1. Obtención de materia prima en forma de polvo
� Reacción en estado sólido� Precipitación a partir de soluciones� Precipitación a partir de fundidos� Precipitación a partir de fase vapor� Precipitación a partir de intermedios vítreos
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4. Tratamiento térmico
2. Preparación de materia prima
3. Conformado
Esquema general de procesado de los materiales cerá micos
�A partir de polvos�A partir de pulpas
Sin calor Con calorColada en molde permeable
2.Preparación de materia prima
�Natural (molienda-purificación)� Artificial (molienda-purificación-síntesis-molienda)
3.Conformado
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Sin calor Con calor
� Compactación uniaxial
� Compactación isostática (CIP)
� Compresión en caliente� Compactación isostática
en caliente (HIP)� Moldeo por inyección
(PIM)
Colada en molde permeableColada en cintaExtrusión
4.Tratamiento térmico
�Secado�Cocción (sinterizado)
Esquema del proceso de obtención mediante tecnologí a de polvos
•Molienda•Mezcla Húmedo /seco
Polvos•Granulación•Globulización•Spray Drying
Granulado
• Compactación Uniaxial
• Isostática• Extrusión• PIM• Casting• Rapid Prototyping
Conformado
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•Atmósfera•Vacío•SPS•HIP
Sinterización•Rectificado•Recubrimientos•Afilado
Acabado
Procesado: HIP
Etapas:
Prensado isostático en caliente (HIP)
Fluido = gas inerte
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Etapas:-polvo en molde (metálico o vidrio)-vacío en molde-molde en autoclave de ↑ P
Ventajas:-Buena distribución de P en el compacto → uniformidad de prop.-Obtención de formas más complicadas-Para piezas de ↑ dureza
Desventajas:-↑ precio de equipo-Poco control dimensional sobre producto-Discontinuidad del proceso.
"Powder Metallurgy, materials, processes and applications", European Commission's Leonardo ds Vinci Programme Contract nº EUR/97/2/00202/PI/II.1a/FPC
Procesado: ‘Tape Casting’
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Cerámicas estructurales: Ejemplo: Si3N4
Propiedades:� ↑ Dureza� ↑ Resistencia desgaste� ↑ Resistencia a flexión
2 polimorfos: α, β. Estructura hexagonalSe descompone a temperaturas altas
(1700ºC, N2+Si fundido)
(1880ºC en 1 bar N2)
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� ↑ Resistencia a flexión� ↑ conductividad térmica� ↑ Resistencia a alta T.� Densidad 3 - 3,3 g/cm3
Enlace covalente, dónde el Si presenta hibridación sp3
y el N sp2.
Aplicaciones� Recubrimientos, bolas rodamientos, herramientas de
corte, camisas de pistones…
Cerámicas estructurales: Si 3N4
Componentes para turbinas de Si3N4: permiten la entreada de gases más caliente, aumentan la eficiencia en un 40%
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SiSi33NN44 rotoresrotores
Cerámicas estructurales: Si 3N4
Fabricación de los polvos
a) Nitruración de polvos de Si
3Si+2N2→Si3N4
b) Reducción carbotérmica de la sílice3SiO2 +6 C +2N2 →Si3N4 + 6CO
c) Reacción fase vapor
Exotérmica: arde, contaminación con elementos de molienda
Ligera contaminación con grafito
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3SiCl4 +4NH3 →Si3N4 12 HCl3SiCl4 +4NH3 →Si3N4 12 H2
d) Precipitación y descomposición térmicaa) 3SiCl4 + 6NH3 →Si(NH)2 + 4 NH4Clb) Si(NH) →Si3N4 + 2 HH3
Elevadas trazas de Cl
Necesita de molienda para acondicionar las mezclas finales
Cerámicas estructurales: Si 3N4 ����Principales rutas de procesado
Conformado
Si
Si +aditivos
Si3N4 + aditivos
Nitruración
Aditivos: óxidos metálicos, Y2O3, Al 2O3, MgO, ZrO 2… (3-15%mol)
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SinterizaciónPrensado CalienteHIP
Pieza Final RBSN
Pieza Final SRBSN
Pieza Final SSN
Pieza Final Pieza Final mecanizado
RBSN: Sinterización reactiva: Reaction bonded silicon nitride
En presencia de atmósferas nitrurantes. Proceso largo a T: 1250º-1450ºC. Produce aumento de volumen, porosidad final ∼20%.
SSN: Sinterización Si3N4. Sin aditivos no densifica. Los aditivos proporcionan una fase líquida en la que el nitruro de silicio es soluble. T:
1700º-17850ºC
Cerámicas estructurales: Ejemplo: SiCPrimer abrasivo artificial desarrollado a finales XIX (carbodurum). Material estructural para aplicaciones a elevada temperatura .Elevada resistencia a ↑T, abrasivo, resistente al desgaste y a la corrosión.
Enlace covalente (12% iónico)Estructura cristalina: polimorfos β y α.
Presenta POLITIPISMO*:
Secuencia de apilamiento a lo largo del eje c para diferentes politipos del SiC
SecuenciaNo. hexagonal
(h) No. cubic
(k)
2H AB 1 0
3C ABC 0 1
4H ABCB 1 1
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Estructura cúbica ( β-SiC) a = 4.3596 Ǻ 3C
Estructuras hexagonal y romboédrica (α-SiC):Hexagonal: (a = 3.078 Ǻ; c = n x 5.518 Ǻ)Romboédrico: (a = 3.073 Ǻ; c = 37.7 Ǻ) 15R
Densidad (3.21 g/cm 3) y propiedades mecánicas idénticas
Bastidores espejos solares
*Politipismo: cuando dos polimórficos difieren sólo en el apilamiento de láminas o capas idénticas.
4H ABCB 1 1
6H ABCACB 1 2
15R ABCACBCABACABCB 2 3
Aplicaciones� Recubrimientos, componentes resistentes a desgaste,
válvulas, intercambiadores calor componentes de turbinas…
Cerámicas estructurales: SiC
Composite SiC/SiC para componentes de turbinas
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Tras 75000 h de ensayo se demuestra una dismunción de emisión de<15 ppm NOx y <10 ppm CO
Cerámicas estructurales: SiC
Reducción Carbotérmica Polvo irregular
Proceso Acheson (Carborundum).
� A altas T (2300ºC): α-SiC. MoliendaSiO2 + 3C ⇒ SiC (α)+ 2CO
�A bajas T (1200-1800ºC): β-SiC Tamaño finoSiO + 3C ⇒ SiO+ 2CO
⇒
Obtención del Polvo de SiC
Edward Goodrich Acheson (Washington, 1856-1931), descubridor del carburo de silicio o carborundum
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⇒
SiO2 + 3C ⇒ SiO+ 2COSiO + 2C ⇒ SiC (β)+ CO
Reacción en fase vapor Polvo muy fino y esférico
Estructura β-SiCSiCl4 +CH4 → SiC + 4 HClSiH4 +C2H4 →2 SiC + 6 H2
Reacción Directa (T 1200ºC)
Si +C→ SiC
Cerámicas estructurales: SiC Rutas de procesado
� Sinterización por reacción (RBSC)
� Sinterización en estado sólido (SSC)
� Sinterización en fase líquida (LPSC)
Material bifásico que contiene 10% Si.Se forma por reacción de una mezcla SiC-C en Si líquido (vapor). 1550-1650ºC
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Si
SiC primario
Grafito
SiC primario
1650ºC
SiCsecundario ββββ
Si ∼ 10% vol.
Cerámicas estructurales: SiC. Rutas de procesado
� Sinterización por reacción (RBSC)
� Sinterización en estado sólido (SSC)
� Sinterización en fase líquida (LPSC)
Sinterabilidad muy baja, ∼Si3N4:Coeficiente de difusión muy bajosEnergía superficial intergranular muy elevada “coarsening”Se necesitan polvos muy finosT superiores a 2000ºCAtmósferas inertes.Aditivos: C y BC4
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Aditivos: C y BC4
Cerámicas estructurales: SiC. Rutas de procesado
� Sinterización por reacción (RBSC)
� Sinterización en estado sólido (SSC)
� Sinterización en fase líquida (LPSC)Sinterización a temperaturas más bajas (1800-2000ºC)Mayor tenacidad (6-7 vs. 3-3.5 MPa·m1/2)Aditivos: Óxidos metálicos que no descompongan al SiC, pe: sistema SiC-Y2O3-Al2O3, adición SiO2
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SiC-Y2O3-Al2O3, adición SiO2
Cerámicas estructurales: ZrO 2
La zircona en inyectores para motores diesel� reducción emisiones.
� Excelente resistencia a la
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� Excelente resistencia a la corrosión y desgaste, evita gripado.
� Aumenta la P de trabajo.